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新一代數位功率照明控制技術

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意法半導體專案經理張文益。
意法半導體專案經理張文益。

意法半導體(STMicroelectronics;ST)專案經理張文益先生,針對「新一代數位功率照明控制技術」做專題演說,他指出傳統照明的電源設計,都是採用Analog(類比)的PWM控制器,內建誤差放大器、比較器、電閘、驅動器、斜坡波形產生器。

而傳統Digital(數位)的PWM控制器,則改用ADC(類比數位轉換器)、電源管理元件、控制器介面、PID控制器、數位PWM等,比Analog的好處在於一些控制介面,以及I2C的連接介面,以控制到IC內部的運作。

數位IC要將外面的機械(類比)訊號,轉換成數位訊號時,會花費許多IC裡面的運算資源(佔70?80%),一般傳統數位IC在運算的過程中,就無暇處理其他功能,例如過電流保護(OCP)、過電壓保護(OVP)等,這時就必須採用較高檔的數位IC(例如DSP)來解決問題。

重新思考數位處理  採用SMED來解決

由於DSP基本上是個昂貴的產品,為了成本考量不想用DSP,當又希望達到控制的要求,ST想到的就是SMED (State Machine Event Driven)-以事件觸發的狀態機設計。SMED架構上面有一個輸出pin,可接收外面的觸發信號(event)來轉態。

如果上述的OCP、OVP事件一進來,便可讓輸出pin的狀態改變(例如將電源瞬間關斷),轉換過程免經過運算。不過類比轉數位過程仍須經過運算,SMED靠的是外接8-bit MCU,但它具備獨立的時脈,並具備耦合介面以連接至其他SMED。

ST的照明專用電源IC產品,如STLUX385A便符合這樣的電源轉換需求,含有6個SMED,並可作耦合動作(以做更多PWM輸出)。內建8-bit MCU接收來自外面的類比訊號,透過內部運算將類比轉成數位訊號,不須額外耗費到SMED的資源,並提供暫存器、旗標,可以觸發SMED。因SMED具備獨立的時脈,故可接收4組類比比較器和6組數位比較器,與來自MCU的訊號,並可產生自我反饋訊號。

若分析其細節,當6組SMED連接到可程式化開關矩陣時,每個SMED都可接收3個事件,而前面的4組類比比較器中有3組具備4-bit(16階)的參考電源,1組具備從外部訊號輸入作為參考電源,以做補位。另外的6組數位比較器,則提供High、Low訊號,來進行觸發事件。另有5個軟體旗號可從MCU送進來,當作觸發事件。此外SMED本身也可反饋到自己的輸出端,以當作觸發事件。

由於狀態機會接收到觸發訊號而改變狀態,例如從IDLE狀態按順序轉移至S0→S1→S2→S3→S0…等狀態,亦可不依照順序來轉換狀態。張文益以STLUX平台來解釋SMED的運作狀態,例如Event 1進來驅使S0→S1,Timer訊號驅使S1→S2,Event 2(例如OVP訊號)進來使S2→S0。因此該轉換是很直覺的,只要Event進來即可轉換,以便瞬間保護週邊元件而不受損傷。

他解釋SMED的時脈來源,透過可程式化抖動來降低EMI,並說明類比比較器、類比-數位轉換器的原理。其內建硬體DALI(數位可定址調光介面),可支援LED模組、彩色LED,讓LED照明控制更加方便。

路燈、燈管電路再進化  離線式LED驅動器

張文益接著說明其100W離線式PSR-ZVS(初級側調節-零電壓轉換) LED驅動器,具備寬範圍輸入、單串輸出(100V或200V)、100W最大輸出電力-最低可到1W、1A最大輸出電流-最低可到10mA(或200V版本的500mA)、同時板上內建DALI介面-符合IEC62386-101/102/207規範,並具備額外0?10V介面以做為DALI之外的控制介面。

該100W模組採兩層PCB設計,可運用在的單串LED驅動器,適合路燈使用,亦可應用在多串環境,適合辦公室平板燈使用。其具體特性為支援90?265Vac輸入、100V@1A或200V@0.5A (100W)輸出、電流精準度在50W至100W輸出為>5%、可透過DALI介面來控制、電源效率>92%、作業溫度為-40?+105℃。

張文益解說其STLUX385A的系統架構圖,從AC輸入→EMI濾波器&整流器→PFC (功率因數修正器)然後進入STLUX385A,後面有DC/DC輔助電路(亦連接到STLUX385A)、ZVS (LC+HB)也經過STLUX385A,然後到變壓?變流器,最後送到LED驅動器。

其中STLUX385A數位控制器則能夠與DALI介面連接、0?10V介面可連接到其他控制介面、Serial介面則可與Wi-Fi、藍牙、PLM(燈具保護模組)、PC做連接。

在PFC部分,採用了2組SMED (SMED 4, 5),來控制MOS端。ZVS部分,則採用了3組SMED (SMED 0, 1, 2),因為該模組是PSR架構設計,必須偵測一次側的電流,以做電流的控制。ZVS版本部分,則具備A(100V@1A)、B(200V@0.5A)、C(400V@0.25A)等選擇,免更改硬體或韌體。

此外,ST也提供各式軟硬體開發工具,透過與整合開發環境與視覺化組態器,可加速SMED相關應用開發。